CN1858548A - 一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，属于光电子测量技术领域。采用上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的粗端固定在工程结构中的固定装置上、细端通过刃口与挂钩挂上沉降墩，沉降墩直接埋置于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光纤Bragg光栅分析仪获取Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算，从而消除温度的影响，以得到待测地表沉降量。具有最大限度地避免人为和气候因素的影响，实现远距离实时监测，检测可靠等优点。

Description

一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法

技术领域；本发明涉及一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术：在变形测量中，大地测量方法是一种最直观的方法，主要用于地表的变形测量，比如边坡监测等。所谓沉降观测，就是定期地测量变形量工作点的高程变化情况，根据各点间的高差变化，计算地表的沉降量。目前常用水准测量方法进行沉降变形测量，但这种方法受人为因素影响极大，经验不足者常会导致测量精度不够，以致测量超限；即使经验丰富，技术熟练的工作人员，也不可能做到每次都能处理成功；而且，这种人工测量的方法受天气条件的影响很大，耗时长。

发明内容；本发明的目的是克服现有技术之不足，提供一种用位移调制型光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，将表征沉降量的位移参量转换成可对光纤Bragg光栅的Bragg波长进行调制的应变参量，最大限度地避免人为和气候因素的影响，实现远距离实时监测。

本发明的技术方案是：采用粗端为固定端、细端有V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上(如边坡中的抗滑桩)，在悬臂梁的另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，沉降墩直接埋置于待测地点的地表(如先挖坑，再在坑内现浇钢筋混凝土以形成沉降墩)，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，以使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用普通光纤光栅分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算(可用人工运算或配备专门的电子运算专置进行数据运算处理与显示)，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。

本发明的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成，悬臂梁为等强度悬臂梁，刃口可为框形，沉降墩可为各形重物，如混凝土块(可在地表挖坑现浇水泥制成)；沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅Bragg的波长λ_B、应变量ε、应变灵敏度系数S_ε、温度变化T之间的关系为：

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{2S_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{l^2+d^2}{h}.$

本发明由于利用位移调制型光纤Bragg光栅传感方法来测量沉降量，与现有技术相比较具有以下优点：

1.检测的实时性：常用的光纤光栅解码仪能提供5～1000Hz的检测频率，可满足土木工程结构的实时监测要求。

2.远程传感网络：插入损耗低和窄带的波长反射提供了远程传感的可能性，并且有利于在光纤中的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环型等连接，实现远程测量与监控。

3.检测的可靠性：由于光纤Bragg光栅的传感信号为光栅调制的Bragg波长值，该波长值可进行自标定和自校准，而且该光纤传感波长编码具有抗干扰能力强的特点，从本质上排除了光强起伏干扰(如：光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等)，因此保证了检测的可靠性。

4.消除温度的影响：采用粘贴在等强度悬臂梁上、下表面的两个传感光栅，进行差动运算，有效地消除了温度对传感元件的影响。

5.测量量程可调：利用悬臂梁的长度l与沉降量d的关系式，可方便地选择不同长度的悬臂梁，以获取相应的测量量程。

附图说明：

附图1为本发明测量装置示意图；

附图2为本发明悬臂梁俯视示意图；

附图3为本发明悬臂梁应变原理图；

图中：①固定平台，②悬臂梁，③光纤Bragg光栅，④刃口，⑤挂钩，⑥沉降墩，⑦固定端，⑧V型槽，l为悬臂梁的长度、h为悬臂梁的厚度，B为悬臂梁固定端的宽度，b为悬臂梁末端的宽度，d为沉降量，α为悬臂梁的倾斜角。

具体实施方式：下面结合附图及实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1：如附图1～3所示，利用位移调制型光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，是采用粗端为固定端、细端为V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上(如：边坡中的抗滑桩)，另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，使沉降墩埋置于待测地点的地表，沉降墩为事先在地表挖坑后现混凝土制成(比如：0.3×0.3×0.5m)；通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光谱分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算(通过人工进行)，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。

本检测方法中，两根光纤Bragg光栅采用同一批拉制出的通信用G.652单模光纤载氢后制成，悬臂梁为等强度悬臂梁，刃口为框形(上内口为刃口结构，与悬臂梁的V型槽对应)，沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅Bragg的波长λ_B、应变量ε、应变灵敏度系数S_ε、温度变化T之间的关系为：

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{2S_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{l^2+d^2}{h}$

测量时，地沉降使得沉降墩向下运动产生了一个位移d，从而通过挂钩和刃口带动悬臂梁产生弯曲形变，粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅感应到相应的应变，最后，导致了光纤Bragg光栅的Bragg波长移位。因此，当悬臂梁在地沉降的作用下产生与它成正比的应变时，光纤Bragg光栅将应变转换为Bragg波长的偏移量。

在附图1所示的等强度悬臂梁中，悬臂梁所受应变ε与沉降量d之间的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{h}{l^2+d^2}d---\left(1\right)$

其中，l是等强度悬臂梁的长度，h是等强度悬臂梁的厚度。

当悬臂梁受荷载的作用弯曲时，上表面受到的是拉伸应变ε，而下表面受到的是压缩应变-ε，若两只光栅处于同样的温度场中，则光栅中的温度变化T和应变信号ε可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{{2S}_{\mathrm{\ϵ}}}\\ T=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)+{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{{2S}_T}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，S_ε是应变灵敏度系数，S_T是温度灵敏度系数。本发明属于机械补偿并不要求额外的温度检测，只是两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。

把式(2)中的第一个表达式代入式(1)，可得沉降量与传感光栅Bragg波长的关系可表示为：

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{{2S}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{l^2+d^2}{h}---\left(3\right)$

本例中，等强度悬臂梁用不锈钢材料制成，其尺寸为：l＝300.0mm，h＝3.0mm，B＝45.9mm；测量结果为：Bragg波长移位量/沉降量＝70.0pm/mm，即Δλ＝70d，当产生1.0mm的沉降量时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位70.0pm(光纤Bragg光栅的Bragg波长λ_B的单位为pm，沉降量d的单位为mm)。

实施例2：如附图1～3所示，利用位移调制型光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，是采用粗端为固定端、细端为V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在边坡中的抗滑桩上，另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，使沉降墩埋置于待测地点的地表，沉降墩采用预制混凝土墩，在地表挖坑放入；通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用基于可调谐Fabry-Perot干涉仪解调原理制成的光纤光栅分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将其进行差动运算(配备电子运算设备进行，并显示)，得到待测地表沉降量。

本检测方法中，两根光纤Bragg光栅采用同一型号的光敏光纤PS-1550-Y3制成，悬臂梁为等强度悬臂梁，刃口为框形(上内口为刃口结构，与悬臂梁的V型槽对应)，沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅Bragg的波长λ_B、应变量ε、应变灵敏度系数S_ε、温度变化T之间的关系为： $d=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{{2S}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{l^2+d^2}{h}$

本例中，等强度悬臂梁用不锈钢材料制成，其尺寸为：l＝600.0mm，h＝5.5mm，B＝72.0mm；测量结果为：Bragg波长移位量航降量＝20.0pm/mm，即Δλ＝20d，当产生1.0mm的沉降量时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位20.0pm(光纤Bragg光栅的Bragg波长λ_B的单位为pm，沉降量d的单位为mm)。

Claims (3)

1、一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，其特征是采用粗端为固定端、细端有V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上，在悬臂梁的另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，沉降墩直接埋置于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光纤光栅分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。

2、根据权利要求1所述的用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，其特征是两根光纤Bragg光栅采用同一型号的光敏光纤制成，悬臂梁为等强度悬臂梁。

3、根据权利要求1所述的用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，其特征是沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅的Bragg波长λ_B、应变量ε、应变灵敏度系数S_ε、温度变化T之间的关系为：

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{{2S}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{l^2+d^2}{h}$

Images